CN114489330A - 一种面向自动化设备的虚实融合调试系统及方法 - Google Patents

一种面向自动化设备的虚实融合调试系统及方法 Download PDF

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何磊
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Abstract

本发明公开了一种面向自动化设备的虚实融合调试系统，包括数据读写模块，数据交互模块和界面模块，数据读写模块与待调试的PLC控制器通过以太网相连，用于对PLC控制器中的信息进行读取和写入；数据交互模块与数据读写模块进行直接耦合，用于实现数据交互模块的地址空间规范，将数据读写模块中的变量信息封装成数据交互模块的格式的数据节点，以及将变量信息从数据交互模块节点中提取出来；界面模块与数据交互模块相连接，用于指令的输入，虚实融合的调试是对虚拟调试技术的扩展，与传统虚拟调试最显著的区别就是将虚拟调试中的虚拟控制器替换成真实的控制设备，使用真实控制设备中的数据来驱动虚拟模型，从而进行调试可忽略控制器硬件误差的问题。

Description

一种面向自动化设备的虚实融合调试系统及方法
技术领域
本发明涉及自动化生产设备技术领域，具体指面向自动化设备的虚实融合调试系统及方法。
背景技术
自动化设备作为制造业的重要一环，被广泛应用于各种产品的生产和测试等工艺中。传统的自动化设备开发模式是机械设计、电气设计和自动化工程依次进行，每个开发阶段的独立性较强，基本无法实现机械结构和控制系统的并行设计。同时，此类设备的工艺和控制复杂度较高，现场的实机调试较为困难，如果开发阶段未能进行充分调试就将设备投入生产环境，将会出现许多难以解决的技术问题。
“虚拟调试”(Virtual Commissioning)是使用仿真技术在虚拟环境中对设备进行设计优化和运行调试；将虚拟调试技术运用到自动化设备的生产研发过程中，机械设计人员和控制系统设计人员可以基于设备的同一个虚拟模型进行共同设计，能极大程度避免因设计错误或者设备优化而带来的开发周期延长问题；设备现场调试之前，可以对虚拟模型进行预调试，减少现场调试带来的风险。
现有虚拟调试技术中，存在着一些问题，例如：不同品牌和厂商的控制设备兼容性差；完全将控制器虚拟化忽略了硬件误差；虚拟控制器的型号较少等。
发明内容
针对上述技术存在的问题，本发明提供一种面向自动化设备的虚实融合调试系统，虚实融合的调试是对虚拟调试技术的扩展，与传统虚拟调试最显著的区别就是将虚拟调试中的虚拟控制器替换成真实的控制设备，使用真实控制设备中的数据来驱动虚拟模型，从而进行调试。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种面向自动化设备的虚实融合调试系统，包括数据读写模块，数据交互模块和界面模块，
数据读写模块与待调试的PLC控制器通过以太网相连，用于对PLC控制器中的信息进行读取和写入；
数据交互模块与数据读写模块进行直接耦合，用于实现数据交互模块的地址空间规范，将数据读写模块中的变量信息封装成数据交互模块的格式的数据节点，以及将变量信息从数据交互模块节点中提取出来；
界面模块与数据交互模块相连接，用于指令的输入。
作为优选，所述界面模块输入的指令包括建立与PLC的连接、测试连接、创建数据节点以及启动数据交互模块的服务。
作为优选，所述数据交互模块包括OPC UA协议。
作为优选，还包括MySQL数据库，所述数据读写模块通过OPC UA协议将节点信息持久化到MySQL数据库中。
作为优选，还包括在NX MCD环境中的虚拟模型。
本发明还公开一种面向自动化设备的虚实融合调试方法，包括如下步骤：
S1、创建虚拟模型并编制仿真PLC程序，将程序下载到PLC控制设备中；
S2、创建控制虚拟模型自动化运行所需的输入输出的信号；
S3、启动虚实融合调试系统，在界面模块选择所使用的PLC型号；
S4、将虚拟模型信号与虚实融合调试系统中创建的节点信号一一映射起来，启动仿真，即可实现虚实融合调试。
作为优选，所述步骤S1中，包括
S1-1、分析自动化设备的工艺和生产流程，对设备的机械结构进行初步设计、电气元件进行初步选型；
S1-2、建立自动化设备的虚拟机械和电气模型；
S1-3、进行基于时间顺序的工艺流程仿真；
S1-4、根据基于时间顺序的工艺流程仿真结果编制PLC程序，将程序下载到PLC控制设备中。
作为优选，所述步骤S1-2、步骤S2以及步骤S4均在NX MCD环境中执行。
作为优选，所述步骤S3中，通过PLC的以太网端口与PC的网口通过网线连实现虚实融合调试系统的启动，并将PLC程序中所需的I/O创建成OPC UA节点。
本发明具有以下的特点和有益效果：
采用上述技术方案，虚实融合的调试是对虚拟调试技术的扩展，与传统虚拟调试最显著的区别就是将虚拟调试中的虚拟控制器替换成真实的控制设备，使用真实控制设备中的数据来驱动虚拟模型，从而进行调试可忽略控制器硬件误差的问题，该系统基于OPCUA协议，实现了PLC和虚拟模型之间的双向数据交互。基于该系统，可以使用真实PLC控制虚拟模型，以达到对控制程序的调试的目的；独立性强，与PLC硬件和仿真软件之间耦合度很低，通用性强。与设备无关，无论PLC中是否内置了OPC UA服务器，均可通过此系统进行虚实融合调试。配置方便，只需简单配置即可扩展设备支持，
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明中虚实融合调试系统架构图
图2是本发明中虚实融合调试方法的步骤图
图3a是基于时间顺序的仿真序列设置图
图3b是信号设置图
图4是本发明中使用界面对虚实融合调试系统进行配置图
图5是NX MCD中的外部信号配置和信号映射图
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明公开了一种面向自动化设备的虚实融合调试系统，如图1所示，包括数据读写模块，数据交互模块和界面模块，
数据读写模块与待调试的PLC控制器通过以太网相连，用于对PLC控制器中的信息进行读取和写入；
具体的，通过与PLC建立Socket连接的方式对PLC中的信息进行读写。当收到来自用户或者虚拟模型发出的请求读取或者请求写入指令后，此模块就会读出PLC中相应的I/O信息，或者将变量信息写入PLC中对应的I/O，以此实现与虚拟模型的双向数据交互。由于不同厂商和不同型号的PLC请求报文格式和写入报文格式有差异，因此数据读写模块采取了插件化开发的模式，如果需要扩展设备支持列表，只需要将新设备的读取和写入报文格式进行简单配置，即可支持新设备。
数据交互模块与数据读写模块进行直接耦合，用于实现数据交互模块的地址空间规范，将数据读写模块中的变量信息封装成数据交互模块的格式的数据节点，以及将变量信息从数据交互模块节点中提取出来；
其中，所述数据交互模块为OPC UA协议模块，其包括OPC UA协议。
具体的，收到读取指令时，此模块将变量信息封装到地址空间中的节点中，向OPCUA客户端和NX MCD提供数据接口；收到写入指令时，其将NX MCD中虚拟模型输出的节点信息解析成变量，传输给数据读写模块以写入PLC中。对于内置了OPC UA服务器的PLC，例如西门子的S7-1500，此模块可以直接同PLC进行数据交互。对于没有内置OPC UA服务器的PLC，此模块通过数据读写模块与PLC进行数据交互。
界面模块与数据交互模块相连接，用于指令的输入。
具体的，方便用户对整个调试系统进行配置。用户可以在驱动列表中选择对应的PLC驱动，随后设置PLC的IP地址和端口号，点击连接即可建立与PLC的连接。连接完成后，用户可以对PLC中的变量读写进行测试，以验证虚实融合调试系统是否与PLC成功建立了连接。同时，用户可以快速启动一个OPC UA服务器，建立节点文件夹，在节点文件夹中创建PLC中I/O对应的数据节点。
进一步的，还包括MySQL数据库，所述数据读写模块通过OPC UA协议将节点信息持久化到MySQL数据库中。
可以理解的，还包括在NX MCD环境中的虚拟模型，用于创建自动化设备的虚拟模型，并进行基于时间顺序的仿真。
本发明还公开一种面向自动化设备的虚实融合调试方法，如图2所示，包括如下步骤：
S1、创建虚拟模型并编制仿真PLC程序，将程序下载到PLC控制设备中；
具体的，步骤S1中，包括
S1-1、分析自动化设备的工艺和生产流程，对设备的机械结构进行初步设计、电气元件进行初步选型；
S1-2、建立自动化设备的虚拟机械和电气模型；
S1-3、进行基于时间顺序的工艺流程仿真；
S1-4、根据基于时间顺序的工艺流程仿真结果编制PLC程序，将程序下载到PLC控制设备中。
S2、创建控制虚拟模型自动化运行所需的输入输出的信号；
S3、启动虚实融合调试系统，在界面模块选择所使用的PLC型号；
S4、将虚拟模型信号与虚实融合调试系统中创建的节点信号一一映射起来，启动仿真，即可实现虚实融合调试。
具体的，本实施例中，以西门子S7-200Smart型号的PLC为例，进行进一步的说明的演示：
步骤S1中，在NX MCD中，创建料盘流转模块的虚拟模型，并进行基于时间顺序的仿真，仿真顺序如图3a所示，随后根据工艺流程编制PLC程序，并将程序下载到西门子S7-200Smart型号的PLC中。
步骤S2中，如图3b所示，在NX MCD中，创建信号表，将控制料盘流转模块所需的输入输出信号添加到信号表中。InBeltVelocity，InXposition，和InZposition为控制料盘流转模块所需的传感器输入的布尔信号和速度、位置等输入的物理量信号。OutArmCollision,OutBeltCollion,OutLightSensor,OutXposition和OutZposition为控制料盘流转模块所需的传感器输出的布尔信号和速度、位置等输出的物理量信号。
步骤S3中，如图4所示，将S7-200Smart型号PLC的以太网端口与PC的网口通过网线连接，在驱动列表中选择型号，将IP地址设置成192.168.2.1，默认端口号为102，点击连接，虚实融合调试系统即与PLC连接完成。随后建立节点文件夹名称为HelloTest，将PLC程序中的地址I0.4，I0.5，I0.6，MD2,MD6,MD10,MD14,MD18依次创建为名称为InArm,InBelt,InLight,InX,InZ,OutX,OutZ，OutBelt的变量节点。随后启动OPC UA服务器。
步骤S4中，如图5所示，在NX MCD中选择OPC UA服务器配置外部信号，将搜索到的OPC UA信号与MCD环境中添加的信号根据功能进映射。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式包括部件进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种面向自动化设备的虚实融合调试系统，其特征在于，包括数据读写模块，数据交互模块和界面模块，
数据读写模块与待调试的PLC控制器通过以太网相连，用于对PLC控制器中的信息进行读取和写入；
数据交互模块与数据读写模块进行直接耦合，用于实现数据交互模块的地址空间规范，将数据读写模块中的变量信息封装成数据交互模块的格式的数据节点，以及将变量信息从数据交互模块节点中提取出来；
界面模块与数据交互模块相连接，用于指令的输入。
2.根据权利要求1所述的一种面向自动化设备的虚实融合调试系统，其特征在于，所述界面模块输入的指令包括建立与PLC的连接、测试连接、创建数据节点以及启动数据交互模块的服务。
3.根据权利要求1所述的一种面向自动化设备的虚实融合调试系统，其特征在于，所述数据交互模块包括OPC UA协议。
4.根据权利要求4所述的一种面向自动化设备的虚实融合调试系统，其特征在于，还包括MySQL数据库，所述数据读写模块通过OPC UA协议将节点信息持久化到MySQL数据库中。
5.根据权利要求1所述的一种面向自动化设备的虚实融合调试系统，其特征在于，还包括在NX MCD环境中的虚拟模型。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的面向自动化设备的虚实融合调试方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、创建虚拟模型并编制仿真PLC程序，将程序下载到PLC控制设备中；
S2、创建控制虚拟模型自动化运行所需的输入输出的信号；
S3、启动虚实融合调试系统，在界面模块选择所使用的PLC型号；
S4、将虚拟模型信号与虚实融合调试系统中创建的节点信号一一映射起来，启动仿真，即可实现虚实融合调试。
7.根据权利要求6所述的一种面向自动化设备的虚实融合调试方法，其特征在于，所述步骤S1中，包括
S1-1、分析自动化设备的工艺和生产流程，对设备的机械结构进行初步设计、电气元件进行初步选型；
S1-2、建立自动化设备的虚拟机械和电气模型；
S1-3、进行基于时间顺序的工艺流程仿真；
S1-4、根据基于时间顺序的工艺流程仿真结果编制PLC程序，将程序下载到PLC控制设备中。
8.根据权利要求6所述的一种面向自动化设备的虚实融合调试方法，其特征在于，所述步骤S1-2、步骤S2以及步骤S4均在NX MCD环境中执行。
9.根据权利要求6所述的一种面向自动化设备的虚实融合调试方法，其特征在于，所述步骤S3中，通过PLC的以太网端口与PC的网口通过网线连实现虚实融合调试系统的启动，并将PLC程序中所需的I/O创建成OPC UA节点。
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